用于充电器的单相和三相混合滤波系统的制作方法

1.本发明涉及电气系统领域，尤其是车辆充电器领域，更具体而言，涉及配备有用于该充电器的“混合”过滤单元的电气系统，所述电气系统能够在单相充电模式和三相充电模式下操作。


背景技术：

2.在已知的多相电气系统中，特别是在电动或混合动力车辆的充电器中，已知每条线路使用专用滤波器，换句话说，为每个相导体和中性导体使用专用滤波器，用于过滤差模电流和共模电流。
3.术语“差模电流”具体定义了与干扰相对应的纹波电流，该干扰在多相电气系统的各相上传输，并通过中性导体循环回。
4.术语“共模电流”具体定义了与电气系统中的电源隔离开关的切换相关的杂散电流，其在相关电气系统的相和电气接地之间以及中性导体和电气接地之间循环。
5.差模电流和共模电流对应于高频干扰，尤其是频率超过100khz时，影响电气系统传输的电流。
6.对于差模电流的滤波，使用被描述为电容器x的电容器，其连接在每个相和中性导体之间；对于共模电流的滤波，使用被描述为电容器y的电容器，其连接在每条线路和接地之间，换句话说，接地通常为相关多相电气设备的框架。
7.根据现有技术，单相滤波器用于逐行衰减差模电流和共模电流。
8.然而，这带来了对滤波效果产生负面影响的各种缺点，尤其是在单相充电模式下。
9.所有线路上的总电容值y决定了在框架中流动的泄漏电流的潜在强度，在这种情况下，泄漏电流为低频电流，换句话说，为处于外部电网系统频率的电流，通常为50hz或60hz。该泄漏电流感应出“接触电流”，在保护导体中断的情况下，该接触电流对应于流经接触框架的人的身体的电流。
10.该接触电流是受限的，即出于安全原因，必须能够保证该接触电流不会超过最大允许阈值，从而在实践中限制最大总电容值y，因此，根据定义，限制电气系统的每个电容器y的额定值。
11.因此，根据现有技术，在多相电气系统中，存在由至少一个电容器x和一个电容器y组成的滤波器，其适用于其“专用”线路。如上所述，出于与接触电流的最大允许值相关的安全原因，总电容值y受到限制，使得适合于给定线路的单相滤波器的电容y进一步减小，从而影响其衰减相应共模电流的能力。因此，线路的数量越多，每个单相滤波器的效率就越低，因为分布在全部线路上的电容y的值在这些线路中的每一个上分别减小。
12.根据现有技术，该问题的一种解决方案包括增加每条线路的电感量。然而，关于这样设计的电气系统的空间要求存在缺点。
13.根据现有技术，与每条线路一个单相滤波器的并联操作相关的另一个缺点是，为了保持电气系统整体所需的整体滤波性能，必须对每个单独的滤波器进行更严格的性能裕
度观察。实际上，在每条线路上，在单相操作中，干扰是存在的，并且是累积的。因此，对于在单相模式和三相模式下的操作，将电流重新注入外部电网系统的限制是相同的，使得在单相操作中，重新注入外部电网系统的电流是三相操作中的三倍。因此，按照惯例，每个单相滤波器(换句话说，每条线路)的理想性能裕度约为10db。
14.为了至少部分抵消上述缺点，所提出的解决方案涉及一种混合滤波器结构，该混合滤波器结构设计为多相的，带有继电器，继电器配置为允许设置滤波器的操作，以用于单相操作或三相操作(尤其是三相操作)。具体地，换句话说，代替包括并联操作的三个单相滤波器的电气系统，本发明提出了具有三相滤波器的电气系统。
15.根据本发明，如下文所述，开关阵列专门配置为允许最佳滤波性能，无论是单相电源还是三相电源，尤其是三相电源。因此，本发明特别适合于构成用于电动或混合动力车辆的车载充电器的电气系统，所述充电器能够利用单相或三相外部电源操作，并因此能够对所述电动或混合动力车辆的供电电池充电。


技术实现要素：

16.更具体而言，本发明的目的是一种电气系统，其特别配置为承担布置在外部电网系统和电动或混合动力车辆的电池之间的充电器的功能，所述电气系统包括连接到外部电网系统的至少一个磁性单元，磁性单元包括磁芯和缠绕在所述磁芯上的多个绕组，所述多个绕组构成至少三条线路，包括一个中性导体，非中性线路被描述为“相”，其第一相是在向电气系统供电的外部电网系统是单相网络的情况下被供电的相，其所有相在向电气系统供电的外部电网系统是多相网络的情况下被供电，中性导体被描述为“中性线”，该磁性单元包括滤波单元，该滤波单元具有连接在每个相和中性线之间的用于对差模电流进行滤波的电容器x，以及连接在电气系统的每个相和电气接地之间以及中性线和所述电气接地之间的用于对共模电流进行滤波的电容器y，所述电气接地特别地由电气系统的框架构成。所述电气系统包括开关阵列，其连接到用于差模电流和共模电流的所述滤波单元的电容器x和y的上行电路，所述开关阵列包括除第一相之外的每一相上的串联开关，以及连接在第一相和每个其他相之间的开关，所述开关阵列被配置为使得：
[0017]-在单相操作模式中，其中向电气系统供电的外部电网系统是单相网络并且仅向第一相供电，未供电相上的串联开关断开，并且连接在第一相和其他相之间的开关闭合；
[0018]-在多相操作模式中，其中为电气系统供电的外部电网系统是多相网络并且为所有相供电，串联连接的开关闭合，并且连接在第一相和其他相之间的开关断开。
[0019]
因此，根据本发明的电气系统的所有相均传输电流输出，所有电容器x和y均涉及差模电流和共模电流的滤波，包括单相模式。
[0020]
因此，单相模式下的总电容值y增加，同时保持符合控制接触电流的标准；因此，可以降低电容器y的单个额定值。
[0021]
由于电容器x布置在开关阵列的下行电路中，所有电容器x均参与波纹电流的过滤，因此可降低电容器x过热的风险。
[0022]
通过本发明，可降低电感的总大小。
[0023]
根据一个实施例，根据本发明的电气系统包括连续串联布置的至少两个磁性单元，开关阵列布置在最后一个磁性单元中，即距离外部电网系统最远的磁性单元，同时仍然
是所述最后一个磁性单元的滤波单元的电容器x和y的上行电路。
[0024]
根据一个实施例，差模电流滤波单元在每条线路上还包括对应于磁性单元的所述多个绕组的漏电感，从而构成用于差模电流的lc型滤波器。
[0025]
根据一个实施例，共模电流滤波单元在每条线路上还包括与磁性单元的所述多个绕组相对应的电感，从而构成用于共模电流的lc型滤波器。
[0026]
根据一个实施例，开关阵列连接在磁性单元的所述多个绕组和滤波单元的电容器x之间。
[0027]
具体而言，电气系统包括电容器x，其连接在电气系统的输入端处，位于各相和中性线之间，被配置为降低电气系统的输入阻抗。
[0028]
根据一个实施例，开关阵列包括与线路数量相等的多个继电器。
[0029]
根据一个实施例，本发明的电气系统恰好包括三个相，即第一相、第二相和第三相，可从外部三相电网向其适当供电，因此，电气系统除中性线之外包括三个相，包括第一相，或总共四个导体。
[0030]
根据一个实施例，(多个)磁性单元的绕组配置为通过第一相和中性线传输48a的电流，并在第二相和第三相传输16a的电流。
[0031]
根据一个实施例，开关阵列包括：连接在第一相和第二相之间的第一开关；串联在第二相上的第二开关，位于磁性单元的输入端或距离电气系统的输入端最远的磁性单元的输入端；串联在第三相上的第三开关，在磁性单元的输入端或离电气系统的输入端最远的磁性单元的输入端；以及连接在第一相和第三相之间的第四开关，其中：
[0032]-在单相操作模式下，第一和第四开关闭合，第二和第三开关断开，以及
[0033]-在三相操作模式中，第一和第四开关断开，第二和第三开关闭合。
[0034]
根据一个实施例，(多个)磁性单元包括磁芯和四个绕组，分别构成三哥相和中性线，构成第一相的绕组设计为在单相操作模式下从外部电网系统接收电流，与构成中性线的绕组径向相对。
[0035]
特别是，根据本发明的电气系统构成电动或混合动力车辆的充电器。
附图说明
[0036]
通过参考以下描述(仅以示例方式提供)和附图(以非限制性示例方式提供)，将有助于理解本发明，其中相同的附图标记适用于相似的元件，在附图中：
[0037]
[图1]示出了根据现有技术的三相充电器的示意图；
[0038]
[图2]示出了根据本发明的示例性电气系统在三相操作模式下的示意图；
[0039]
[图3]示出了根据本发明的示例性电气系统在单相操作模式下的示意图；
[0040]
[图4]示出了根据本发明的示例性电气系统中的滤波性能图。
[0041]
应注意到，附图以详细的方式展示了本发明，以允许本发明的部署，在适用的情况下，所述附图自然可用于更有效地定义本发明。
具体实施方式
[0042]
[图1]示出了一种电气系统，尤其是能够以三相或单相模式操作的充电器。换句话说，[图1]中所示的充电器可以使用外部单相或三相电网系统提供的电能为连接在输出端
子u+/u-处的电池充电，特别是电动或混合动力车辆的电池。
[0043]
在单相模式下，外部电源仅在线路l1上输送电流。连接在线路l2和l3的输入端的继电器断开。在三相模式中，三条线路l1、l2、l3，换句话说，所表示的三相充电器的三个相，被供给电能。电气系统还包括中性导体n。
[0044]
通常，每个相l1，l2，l3包括预充电电路p，其布置为用于校正功率因数pfc的转换器电路的上行电路，包括并联的三个相，其后是也并联连接的三个dc电压转换器电路，例如llc型，但不限于此。
[0045]
滤波元件acf连接在输入端，用于处理提供给每相l1、l2、l3的交流电，滤波元件dcf连接在充电器的输出端，用于处理输送给电池的直流电。
[0046]
在已知的方式下，转换器电路以绕组的形式构成，绕组缠绕在相应的磁芯上，构成由半导体组件控制的变压器，半导体组件特别是开关，如mosfets，可连接形成例如h桥。
[0047]
参考图2和图3，提出了一种“混合”滤波解决方案，其可在单相模式和三相模式下有效操作。电容器cdm1、cdm2、cdm3是电容器x，其适于参与差模电流的滤波，电容器cy是电容器y，其适于参与共模电流的滤波。
[0048]
电容器x cdm1、cdm2、cdm3连接在各相a、b、c和中性线n之间。
[0049]
电容器y、cy连接在各相a、b、c和电气接地(在这种情况下，电气接地对应于电气系统的框架)之间，以及中性线n和所述电气接地之间。
[0050]
第一电容器x cdm1连接在电气系统的输入端，并允许限制电气系统的输入阻抗。
[0051]
图2和图3所示的电气系统包括两个磁性单元，其围绕相应的磁芯构造，围绕磁芯缠绕有绕组，绕组对应于系统的四条组成线路，即三个相a、b、c和中性线。这三个相a、b、c和该中性线n在电气系统的输出端连接到相应的端子cell a、cell b、cell c和neutral，外部电气装置可以连接到端子cell a、cell b、cell c和neutral，该外部电气装置特别是用于电动或混合动力车辆的电池充电的dc/dc转换器。
[0052]
磁性单元的功能是过滤共模和差模干扰。
[0053]
根据图2和图3所示的实施例，第二磁性单元中设有开关阵列，包括四个继电器s1、s2、s3和s4。第一相a对应于在单相模式下被供应电能的相。第一相a不包括串联开关阵列的继电器。相反，第一相a通过显影的继电器s1 s4连接到另外两个相b、c中的每一个。此外，所述另外两个相b、c中的每一个都包括串联连接在谐振转换器电路的输入端的相应继电器s2、s3，该谐振转换器电路由相应的相b、c供电。
[0054]
在所示示例中，电气系统包括两个磁性单元。然而，可以有更多的串联连接的磁性单元。在所有情况下，开关阵列优选地布置在最后单元中，即在离电气系统的输入端最远的磁性单元中，并且连接到外部电网系统。在实践中，优选地在连续的磁性单元之间提供屏蔽，以防止电干扰向上行电路的任何传播，特别是向外部电网系统的传播。
[0055]
开关s1、s2、s3、s4的阵列布置在最后磁性单元的滤波单元中，在滤波电容器x和y的上行电路上，以及磁芯和绕组的下行电路上。在实践中，如果开关阵列被布置在电容器x和y的下行电路，将会有线路干扰增加的后果风险，或者甚至会通过导电路径之间的耦接产生高频短路，并且尤其会有例如源自连接在电气系统输出端的功率转换器的干扰向外部电网系统转移的风险。
[0056]
因此，开关阵列布置在最后磁性单元的磁芯和与该最后磁性单元相关的滤波单元
cdm3不会接合。因此，纹波电流可以更容易地衰减。
[0070]
本发明的另一个优点源于如下事实：如上所述，自感应线圈，即缠绕在相应磁芯上以构成磁性单元的绕组，与lc电路的电容器x和y结合，参与了由相应结构执行的滤波。借助于本发明，电容器x和y的额定值的灵活性也允许减小绕组的尺寸，从而减小电气系统的空间需求。
[0071]
因此，通过本发明，开关阵列被定位使得其在单相操作中增加所涉及的电容器x、y的数量，同时保持符合接触电流的限值，并可实现尺寸更紧凑的电气系统。
[0072]
例如，仍在用于为电动或混合动力车辆的电池充电的单相和三相充电器的背景下，本发明允许选择每条线路具有6.2nf的额定值的电容器y，而现有技术为每条线路4.1nf，同时确保接触电流小于2.5ma。与根据现有技术的等于或大于20mh的值相比，磁性单元的每个绕组的电感可以等于5mh
[0073]
开关阵列在最后磁性单元中的定位，使得前者从电气系统的输入端移除，允许防止继电器s1、s2、s3、s4和电气系统的输入端子之间的电磁耦合现象。
[0074]
此外，参考[图4]，在单相操作m和三相操作t中，与衰减相关的滤波性能已表示为频率f的函数，在三相模式中，每相a、b、c传输3.5kw的电功率，在单相模式中传输11kw的电功率，进一步将其注入第一相l1。可以看出，单相模式下的性能提高了约10db。
[0075]
自感应线圈的实施例
[0076]
关于磁性单元的实施例，根据优选实施例，在围绕磁芯的绕组布置中，确保旨在构成第一相的绕组相对于中性线尽可能远离。换句话说，在环形设计的磁芯中，对应于第一相的线圈绕组和对应于中性线的线圈绕组彼此相对布置；换句话说，它们相对于磁芯的环形结构是径向相对的。因此，在单相操作模式中，如上所述，通过lc电路的构造，特别是结合了电容器y或电容器x，滤波执行中涉及的漏电感被最大化。通过在单相操作模式中最大化漏电感，实现了这种操作模式中滤波性能的直接改善，而不会削弱三相操作模式中的滤波性能。